TRABALHO DE GRADUAÇODESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA SUPERVISÓRIOPARA EXPERIMENTOS DE CONTROLE EIMPLEMENTAÇO DE UM PENDUBOTEduardo de Morais Vieira SilvaYuji Wilker Nakahati

Brasília, julho de 2007UNIVERSIDADE DE BRASÍLIAFACULDADE DE TECNOLOGIA

UNIVERSIDADE DE BRASILIAFa uldade de Te nologiaTRABALHO DE GRADUAÇODESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA SUPERVISÓRIOPARA EXPERIMENTOS DE CONTROLE EIMPLEMENTAÇO DE UM PENDUBOTEduardo de Morais Vieira SilvaYuji Wilker Nakahati

Relatório submetido ao Departamento de EngenhariaElétri a omo requisito par ial para obtençãodo grau de Engenheiro de Controle e AutomaçãoBan a ExaminadoraProf. Geovany Araújo Borges, ENE/UnBOrientadorProfa. Flavia Maria Guerra de Sousa AranhaOliveira, ENE/UnBProf. Ri ardo Zelenovsky, ENE/UnB

Dedi atóriasÀ minha mãe, Janis, por ser a maior refe-rên ia em minha vida e por ter me orientadoquando eu mais pre isava. Aos meus exem-plares tios, White e Marília, que possibilita-ram o meus estudos em Brasília. Ao meuamigo Eduardo e ao professor Geovany peloesforço neste trabalho.Dedi o este trabalho aos meus pais, Luis Eu-gênio e Rosangela, e a minha irmã Simone.Aos meus familiares e amigos, além do Yujie dos professores Geovany e Edson. .

Yuji Wilker Nakahati Eduardo de Morais Vieira Silva

Agrade imentosAgradeço, prin ipalmente, a Deus por tudo que onquistei até aqui.Aos meus pais que propi iaram esse momento.À minha irmã que me aturou todo esse tempo.Aos familiares que tanto me in entivaram.Aos professores Edson e Geovany pela onança no meu trabalho.Aos amigos de Brasília por esses alegres anos de onvivên ia.Aos amigos do urso que viven iaram essa fase junto omigo.À Me ajun pelas oportunidades ofere idas.Aos amigos do LARA que tanto ontribuíram para esse trabalho.Aos amigos de São Sebastião pelas férias e viagens revitalizantes.Ao amigo Yuji pelo ompanheirismo e trabalho durante vários projetos juntos.Eduardo de Morais Vieira SilvaÀ minha grande família, Janis, Ysamu, Júnior, Jean, Viní ius, Vitória, Ana Kelly,White, Marília, Leonardo, Gabriel, Túlio, Jorge e Maurí io, que me apoiam em tudo quefaço.À minha grande namorada e amiga, Ana Kelly, que a ompanha e in entiva, in ondi io-nalmente, em todos os momentos.Ao professor Geovany por ser um ex elente professor, orientar este trabalho e jamaise onomizar esforços para atender as minhas dúvidas.Ao professor Edson pelo apoio nos trâmites da fa uldade e por ser um exemplar prossi-onal.Ao meu amigo Eduardo pela dedi ação no trabalho e ompreensão nos meus momentosde ausên ia em todos o projetos que realizamos.Aos amigos da fa uldade que me a ompanham nesta longa jornada.Aos fun ionários do SG-11 e SG-09, Cí ero, Silmar, Adaiu, Arthur, Mar os e Carlos.Yuji Wilker Nakahati

RESUMOO presente trabalho visa desenvolver uma ferramenta para automatizar e padronizar a super-visão de experimentos de ontrole. Neste sentido, foi projetada uma pla a multifun ional quepermite adquirir sinais, pro essá-los e gerar saídas para ontrolar diversos experimentos. Alémdisso, tal pla a é apaz de enviar dados pré-sele ionados via onexão USB. Para análise dos dadose interfa e om o usuário utilizou-se o software Matlab R©, riando assim uma janela amigável paraque o usuário possa preo upar-se apenas om o seu experimento. Uma vez que o Matlab R© nãopossui driver para omuni ação USB (Universal Serial Bus), riou-se um programa servidor parageren iar a tro a de dados entre a pla a e o Matlab R©. Esse servidor foi desenvolvido para sertransparente ao proto olo de omuni ação e poder ser utilizado por outros apli ativos. O pendubotfoi onstruído a m de validar o sistema supervisório e também permitir estudos de té ni as de ontrole mais avançadas.ABSTRACTThis work aims at the development of a supervisory system for ontrol experiments. A multi-fun tional board is designed to a quire signals, pro ess data them and ompute outputs for manytypes of ontrol experiments. This board is also apable to send pre sele ted data to a omputerusing USB ommuni ation. Matlab R© software was used to analyse and present the data in afriendly interfa e. It is developped a program to ontrol data ex hange between Matlab and the ontrol module sin e Matlab doesn´t provide a driver for USB ommuni ation. This program is aserver for interfa ing with any other program in user spa e using shared memory. The system isvalidated on a ontrol experiment designed only for this purpose: the pendubot. The Pendubotallows studies on more advan ed ontrol te hniques.

SUMÁRIO1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Contextualização.......................................................................... 11.2 Objetivos do projeto ..................................................................... 11.3 Sistema Proposto .......................................................................... 21.4 Apresentação do manus rito........................................................... 22 Fundamentos Bási os . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.1 Pla as multifun ionais ................................................................... 32.2 USB ............................................................................................. 42.3 Ferramentas de análise gráfi a para experimentos de ontrole ......... 52.4 Ambiente de desenvolvimento ARM.................................................. 52.5 Arquiteturas de Pêndulos .............................................................. 62.6 Sensores de medição angular .......................................................... 72.7 Modelo e a ionamento de motor CC ................................................ 103 Desenvolvimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.1 Arquitetura geral ........................................................................ 123.2 Módulo de Controle...................................................................... 123.2.1 Rotina de ontrole.................................................................. 153.2.2 Conversor A/D ....................................................................... 153.2.3 Conversor D/A ....................................................................... 183.2.4 Codifi ador de medição angular ............................................... 203.2.5 E/S ........................................................................................ 243.2.6 Modulação por largura de pulso .............................................. 243.2.7 Bibliote a de funções .............................................................. 253.2.8 USB e JTAG ............................................................................ 263.3 Comuni ação entre Interfa e gráfi a e o módulo de ontrole ........... 263.4 Interfa e Matlab R© ........................................................................ 283.5 Pendubot...................................................................................... 303.5.1 Motor .................................................................................... 313.5.2 Módulo de potên ia ................................................................. 313.5.3 Codifi ador Absoluto e In remental ......................................... 343.5.4 Base Estrutural...................................................................... 343.6 Sistema supervisório....................................................................... 35ii

4 Con lusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Anexos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42I Diagramas Esquemáti os . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43II Desenhos Me âni os. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47IIIDes rição do onteúdo do CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

LISTA DE FIGURAS1.1 Sitema proposto.......................................................................................... 22.1 Pla a de aquisição USB-1208FS ..................................................................... 32.2 Pla a de desenvolvimento OP_KMAVR103 ...................................................... 32.3 Pla a de desenvolvimento Q8......................................................................... 42.4 Ambiente de desenvolvimento WinARM .......................................................... 52.5 Pêndulo invertido ........................................................................................ 62.6 Pêndulo duplo ............................................................................................ 62.7 A robot [1 ................................................................................................ 72.8 Pêndulo de Furuta [2 .................................................................................. 72.9 Pendubot [3 .............................................................................................. 72.10 Poten imetro onven ional........................................................................... 72.11 Dis o de odi ação de Gray de 3-bits ............................................................. 82.12 Dis o do odi ador ópti o in remental ........................................................... 82.13 Diagrama de fase ........................................................................................ 92.14 Codi ador magnéti o in remental.. ................................................................ 92.15 odi ador magnéti o absoluto. ...................................................................... 92.16 Cir uito equivalente do motor [4 .................................................................... 112.17 Tensão sobre o motor no a ionamento haveado................................................. 113.1 Diagrama da arquitetura geral do sistema supervisório........................................ 123.2 Foto da arquitetura desenvolvida .................................................................... 133.3 Módulo de ontrole ...................................................................................... 143.4 Pla a do mi ro ontrolador ............................................................................ 143.5 Diagrama do módulo de ontrole .................................................................... 143.6 Arquitetura da rotina de ontrole. .................................................................. 163.7 Ampli ador Instrumental INA126 ................................................................. 163.8 Cir uito de um anal ADC............................................................................ 173.9 Sinal aptado pelo onversor A/D................................................................... 183.10 Cir uito de um anal do onversor D/A ........................................................... 193.11 Sinal gerado utilizando o D/A........................................................................ 193.12 Onda atualizado a ada 1ms .......................................................................... 193.13 Cir uito de um anal do odi ador ................................................................ 203.14 Grá o de in rementos x tempo. .................................................................... 213.15 Grá o da velo idade in remental x tempo. ...................................................... 22iv

3.16 Diagrama de medição de i lo de trabalho ........................................................ 223.17 Grá o de i lo de trabalho x Tempo .............................................................. 233.18 Grá o de velo idade de i lo de trabalho x Tempo............................................ 233.19 Cir uito de um anal de entrada digital. .......................................................... 243.20 Cir uito de um anal de saída digital............................................................... 243.21 Sinais S0 e S1 ............................................................................................. 253.22 Sinais S2 e S3 ............................................................................................. 253.23 Fall-time dos sinais S2 e S3 ........................................................................... 253.24 Implemetação de ontrole ............................................................................. 263.25 Seleção de variáveis ..................................................................................... 263.26 Diagrama de omuni ação ............................................................................. 273.27 Janela do sistema ........................................................................................ 293.28 Parte de omuni ação .................................................................................. 293.29 Botões de ontrole ....................................................................................... 303.30 Parte de visualização rápida .......................................................................... 303.31 Diagrama do pendubot................................................................................. 313.32 Motor GM-14902S020 .................................................................................. 313.33 Módulo de potên ia ..................................................................................... 323.34 Módulo de potên ia aberto............................................................................ 323.35 Diagrama blo os do sistema .......................................................................... 323.36 Resposta do sistema em malha aberta ............................................................. 333.37 LGR do sistema .......................................................................................... 333.38 Resposta do sistema em malha fe hada ............................................................ 333.39 Grá o Tensão referên ia versus Corrente ........................................................ 343.40 Ângulos θ1 e θ2 do pendubot ......................................................................... 353.41 Codi ador ópti o in remental E5S................................................................. 353.42 Codi ador magnéti o absoluto MA2-P ........................................................... 353.43 Desenho da base ......................................................................................... 363.44 Foto da base .............................................................................................. 363.45 Link1........................................................................................................ 363.46 Link2........................................................................................................ 363.47 A oplamentos do link 1 e link 2...................................................................... 373.48 Dados do sensor in remental.......................................................................... 383.49 Dados do sensor absoluto .............................................................................. 383.50 Grá o de posição angulo om torque onstante ................................................ 38I.1 Cir uito dos onversores A/D e D/A ............................................................... 44I.2 Cir uito dos periféri os IO, MLP, Codi adores e a fonte de alimentação ................ 45I.3 Cir uito da pla a omer ial SAM7-H64 ............................................................ 46II.1 Base do experimento .................................................................................... 48II.2 Suporte de aço para o motor e barras .............................................................. 49II.3 Motor e aixa de redução .............................................................................. 50II.4 Extensor do eixo do motor ............................................................................ 51

II.5 Primeira Barra: Link1.................................................................................. 52II.6 Eixo de onexão entre o Link1 e Link2 ............................................................ 53II.7 Suporte do odi ador absoluto ..................................................................... 54II.8 Segunda Barra: Link2 .................................................................................. 55

LISTA DE TABELAS2.1 Comparação de ambientes de desenvolvimento ARM .......................................... 62.2 Tabela de de odi ação de Gray de 3bits ......................................................... 82.3 Variáveis do motor ...................................................................................... 103.1 Mensagens de omuni ação ........................................................................... 283.2 Valores do motor......................................................................................... 31II.1 Desenhos ontidos no anexo .......................................................................... 47

vii

LISTA DE SÍMBOLOSSubs ritos

in entradaout saídaRef Referên iaSiglasA/D Analógi o para digitalD/A Digital para analógi oMLP Modulação por Largura de Pulso (Pulse Width Modulation)E/S Entrada/SaídaUSB Universal Serial BusJTAG Joint Test A tion GroupSPI Serial Port Interfa eCRC Cy li Redundan y Che kPCI Peripheral Component Inter onne tLGR Lugar Geométri o das RaízesPIT Periodi Interval TimerLARA Laboratório de Robóti a e AutomaçãoBNC British Naval Conne tor

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Capítulo 1Introdução1.1 ContextualizaçãoA Engenharia de Controle e Automação é uma área muito abrangente, uma vez que é a sinergiaentre três grandes ampos: a Engenharia Elétri a, a Engenharia Me âni a e a Ciên ia da Com-putação, além da inuên ia de outros ampos omo Administração e a Engenharia de Produção.Por ser um urso relativamente novo, vários laboratórios e experimentos ainda estão sendo imple-mentados em diversas universidades. Este trabalho surge no intuito da riação de uma plataformapara supervisão de experimentos de ontrole.Atualmente, diversos dispositivos de aquisição e pro essamento de sinais são en ontrados o-mer ialmente. Mesmo om diversas ongurações disponíveis no mer ado, es olheu-se riar ummódulo próprio para obter as ara terísti as desejadas e, prin ipalmente, para dominar o onhe- imento dessa te nologia. Para externalização dos dados desse módulo de ontrole, optou-se porum meio de omuni ação rápido e que fosse a nova tendên ia dessa área - o proto olo USB.Uma ara terísti a importante para os sistemas supervisórios é prover ferramentas para análisee visualização dos dados. Ferramentas grá as omo Matlab R©/Simulink R©e Labview R©são am-plamente utilizadas em laboratórios para simulação de experimentos. Pro urou-se aliar o poderdessas ferramentas grá as om o módulo de ontrole para prover um sistema apaz de atender àsne essidades dos usuários.Por m, es olheu-se o pendubot [3 omo um experimento ini ial para testes do sistema. Aimplementação desse experimento propi ia o ontato om diversas áreas tais omo: eletrni ade potên ia, medição de grandezas e té ni as de onstrução me âni a. Além disso, esse experi-mento é usado para ensino nos ursos de ontrole e automação, pesquisa em sistemas não lineares,robóti a[3.1.2 Objetivos do projetoEste trabalho tem omo objetivo desenvolver um sistema supervisório para experimentos de ontrole a m de que o usuário possa realizar seu experimento de forma simples e transparente.1

Tal sistema, deve onter ir uitos de aquisição e geração de sinais, rotina de ontrole exe utada emtempo real, proto olo que permita a identi ação de erros e uma interfa e grá a para vizualizaçãoe análise das variáveis do experimento. Outro objetivo deste trabalho é a onstrução do aparatoexperimental de um pendubot. Este trabalho é uma ontinuação de [5 que elaborou uma simulação,modelagem e o ontrole deste tipo de pro esso.1.3 Sistema PropostoEste trabalho propõe um sistema supervisório omposto por módulo de ontrole, programaservidor, interfa e grá a, módulo de potên ia e o pendubot onforme a Figura 1.1.Figura 1.1: Sitema propostoO módulo de ontrole é responsável pela aquisição das grandezas do experimento, neste asoo pendubot, além da exe ução da rotina de ontrole, geração de sinais e transmissão dos dadosao omputador. A análise e visualização dos dados é auxiliada pelo software Matlab R© sob uminterfa e grá a proposta. O padrão USB foi es olhido omo anal de omuni ação entre a interfa ee o módulo de ontrole. A tro a de dados entre eles é feita por um programa servidor transparenteao proto olo de omuni ação. É proposto um pendubot para validação do sistema e estudo deté ni as de ontrole.1.4 Apresentação do manus ritoEste do umento está organizado da seguinte forma. No Capítulo 2, são demonstrados algunsfundamentos bási os para a ompreensão deste trabalho. No Capítulo 3, é des rito o pro esso dedesenvolvimento das diversas partes que ompõem esse sistema om seus respe tivos resultados pre-liminares. Ainda nesse apítulo, é demonstrada uma apli ação real desse sistema utilizando omoexperimento o pendubot assim omo os resultados obtidos, seguido das on lusões no Capítulo 4.Os anexos ontêm material omplementar.

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Capítulo 2Fundamentos Bási os2.1 Pla as multifun ionaisPara realização de experimentos de ontrole, ne essita-se de um sistema para aquisição dosdados. Tipi amente, os sistemas que realizam a oleta de dados são as pla as de aquisição. Es-sas diferen iam-se uma das outras pela quantidade e variedade de entradas que elas suportam,a res idas do barramento para omuni ação externa. Atualmente, pla as om barramentos USB(Universal Serial Bus), serial, ethernet et são fa ilmente en ontradas, porém a maioria aindapossui o barramento PCI (Peripheral Component Inter onne t). Na Figura 2.1, tem-se a pla a deaquisi ação USB-1208FS1,baseada no barramento USB.

Figura 2.1: Pla a de aquisição USB-1208FS Figura 2.2: Pla a de desenvolvimentoOP_KMAVR103As pla as multifun ionais são outra forma para a aquisição dos dados, podendo ser a res idas deoutras fun ionalidades omo programação de seu mi ro ontrolador. Dessa forma, o usuário passaa ter um ontrole maior sobre sua pla a, além das vantagens do mi ro ontrolador omo entradase saídas analógi as e digitais, onversores digital-analógi o e analógi o-digital, temporizadores ebarramento para omuni ação externa omo serial, USB e outros. Vale ressaltar que ada pla aou kit possui suas ara terísti as de a ordo om seu fabri ante e modelo. Na Figura 2.2, tem-se1http://www.measurement omputing. om 3

a pla a multifun ional OP_KMAVR1032 externa ao omputador om barramento serial. Já naFigura 2.3, tem-se a pla a Q83 que possui dois temporizadores de 32 bits, 32 anais digitais de E/Sentre outras fun ionalidades. Sendo seu barramento de omuni ação PCI e essa pla a é interna ao omputador.

Figura 2.3: Pla a de desenvolvimento Q82.2 USBO padrão USB surgiu da ne essidade de se integrar o omputador ao telefone [6. Atualmente,o padrão USB é muito utilizado nos mais variados tipos de dispositivos, suportando vários tipos deapli ações. Dentre das suas diversas ara terísti as, desta am-se as seguintes: baixo usto, barra-mento diferen ial, proteção CRC (Cy li Redundan y Che k), abos padronizados, re onhe imentoautomáti o via drivers, suporte a variados tamanhos de pa otes de dados et . Tal barramento estádivido em três prin ipais intervalos:• Low-Speed : 10 - 100kb/s;• Full-Speed : 500kb/s - 10Mb/s;• High-Speed : 25 - 400Mb/s.No proto olo espe i ado, existem quatro tipos de transferên ia de dados[6:• Control Transfer : voltado para transferên ia de dados de onguração, status et ;• Iso hronous Transfer : voltado para omuni ações om taxa de tranferên ia onstante;• Interrupt Transfer : voltado para omuni ações esporádi as;• Bulk Transfer : voltado para omuni ações de grande quantidade de dados.2http://www.optatis. om.br3http://www.quanser. om

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2.3 Ferramentas de análise grá a para experimentos de ontroleFerramentas de análise grá a são úteis, pois fa ilitam a análise e visualização dos dados.Duas ferramentas amplamente onhe idas no meio ientíti o são o Matlab R©e o LabView R©. Umater eira ferramenta que está aumentando sua omunidade de usuários é o S ilab. A família deprodutos Matlab R©disponibiliza uma linguagem de programação de alto nível, um ambiente té ni o omputa ional interativo, funções para desenvolvimento de algoritmo, ál ulos numéri os et . OMatlab R©também possui um onjunto signi ativo de toolboxes que auxiliam os experimentos de ontrole, tais omo: Control System Design and Analysis, Simulink e outros. O Labview R©étambém uma ferramenta para aquisição de dados. Ele possui um ambiente de desenvolvimentográ o e suporta uma vasta gama de pla as de aquisição, além de permitir o desenvolvimento deuma interfa e grá a para visualização dos dados e múltiplas opções de omuni ação. Já o S ilab éum pa ote de desenvolvimento ientí o para omputação numéri a prin ipalmente de apli ações ientí as e de engenharia. A prin ipal diferença do S ilab é ser um projeto de ódigo aberto. OS ilab também possui uma linguagem de programação de alto nível, além de a eitar ódigos deoutras linguagens omo C, C++ e Fortran.2.4 Ambiente de desenvolvimento ARM

Figura 2.4: Ambiente de desenvolvimento WinARMExistem diversos ambientes de desenvolvimento para a família de mi ro ontroladores ARM.Tais ambientes ombinam ferramentas que auxiliam o pro esso de riação de programas, pa ote onven ional, omo por exemplo: editor de texto ompilador, ligador, depurador et . A Tabela2.1, ontêm as prin ipais ara terísti as dos ambientes mais utilizados.Dentre esses, o WinARM, Figura 2.4, desta a-se pelo fato de ser um software livre, ter uma5

Tabela 2.1: Comparação de ambientes de desenvolvimento ARMSoftware Ferramentas Adi ionais Li ençaIAR Embedded Workben h RTOS ProprietárioCrossWork for ARM RTOS ProprietárioARM Development Tools Multi-threaded ProprietárioRealView MDK-ARM RTOS, USB, GUI, Matlab R©Interfa e ProprietárioWinARM GNU ARM Tool hain et LivreYAGARTO GNU ARM Tool hain et Livregrande gama de exemplos para variados tipos de mi ro ontroladores, onter uma interfa e simplese fun ional e possuir uma lista de dis ussão ativa4.2.5 Arquiteturas de PêndulosDentre os vários experimentos de ontrole já propostos, tem-se uma lasse espe í a que é a depêndulos. O prin ipal objetivo dessa lasse é manter uma barra na posição verti al. Um dos mais onhe idos é o pêndulo invertido, Figura 2.5, em que se deve manter a barra na posição verti alapenas om o movimento linear do arrinho nos trilhos. No pêndulo duplo, a barra no segundoestágio (se ond stage) tem movimento livre na junta presa à barra no primeiro estágio (rst stage),Figura 2.6.

Figura 2.5: Pêndulo invertido(fonte:http://www.aptronix. om/fuzzynet/applnote/twostage.htm) Figura 2.6: Pêndulo duplo(fonte:http://www.aptronix. om/fuzzynet/applnote/twostage.htm)Outro tipo de pêndulo é o A robot [1, mostrado na Figura 2.7, em que a barra interior (link 1)tem uma extremidade presa a um rolamento (ombro) e na junção ( otovelo) om a barra exterior(link 2) olo a-se o atuador. Baseado no A robot, surgiu o pêndulo de Furuta [2, Figura 2.8,no qual as barras são olo adas de forma ortogonal entre si. Pro ura-se atingir o objetivo nessesistema apenas om a rotação da barra horizontal. Baseado em ambos, tem-se o Pendubot [3,Figura 2.9, que possui sua me âni a pare ida om a do A robot, porém o atuador a no ombro4http://en.mikro ontroller.net/ 6

Figura 2.7: A robot [1 Figura 2.8: Pêndulo de Furuta [2e não no otovelo omo no pêndulo de Furuta.

Figura 2.9: Pendubot [32.6 Sensores de medição angularExistem diversos tipos de sensores para medição de ângulos de rotação. Neste parágrafo,serão des ritos os sensores resistivos, ópti os e magnéti os. O sensor resistivo é, possivelmente, aforma mais simples e barata para se medir uma determinada posição angular. O seu fun ionamentobaseia-se apenas em um resistor variável (poten imetro) ujo esquema de fun ionamento en ontra-se na Figura 2.10, onstruído de maneira que a resistên ia em seus terminais é propor ional àposição angular θ do seu eixo.Figura 2.10: Poten imetro onven ional7

Para tal sensor, tem-se que:θA→W = 2π

RA→W

RA→B(2.1)em que θA→W , RA→W , RA→W , é o angulo entre os terminais A e W, resistên ia entre os terminaisA e W e resistên ia entre os terminais A e B da Figura 2.10.O sensor angular ópti o, mais onhe ido omo en oder ou odi ador ópti o é largamente onhe ido devido a sua exibilidade de onguração, ompatibilidade om sistemas digitais e porser largamente utilizado no meio industrial. O seu fun ionamento baseia-se em um par ópti o(emissor e re eptor) e um dis o de odi ação, os quais ombinados podem forne er a posiçãoabsoluta ou relativa. A posição absoluta é gerada utilizando um dis o de odi ação binária quegeralmente utiliza o ódigo de Gray. Na Figura 2.11, tem-se um exemplo de um ódigo de Grayde 3 bits, os quais informam sua posição angular absoluta de a ordo om a Tabela 2.2.

Figura 2.11: Dis o de odi ação de Gray de3-bits(http://en.wikipedia.org/wiki/Image:En oder\_dis \%283-Bit\binary\%29.svg) Figura 2.12: Dis o do odi ador ópti o in- remental(http://www.analog. om/Analog\_Root/stati /miniTutorials/images/MT029\_Figure1.gif)Tabela 2.2: Tabela de de odi ação de Gray de 3bitsBit0 Bit1 Bit2 Ângulo0 0 0 0 - 4500 0 1 45 - 9000 1 1 90 - 13500 1 0 135 - 18001 1 0 180 - 22501 1 1 225 - 27001 0 1 270 - 31501 0 0 315 - 3600O odi ador ópti o in remental mede posição angular relativa que é obtida por meio de umdis o simples que ontém n divisões, omo mostrado na Figura 2.12. Em asos mais ompletos,8

pode ser a ompanhando por uma mar ação espe ial - index - e por dois pares ópti os (Canal 1e Canal 2). Por meio desses pares e das n divisões, é possível ontar a quantidade de pulsos aptados relativo à posição ini ial do odi ador. A mar ação espe ial é responsável por garantiressa posição. Os dois pares ( anais) são si amente posi ionados de maneira que eles possuam umadefasagem de 90, assim é possível dete tar o sentido de rotação analisando o sinal da defasagemde a ordo om a Figura 2.13.

Figura 2.13: Diagrama de faseO odi ador magnéti o também pode ser usado para medidas in rementais e absolutas. Umadas formas para medidas in rementais é olo ar um sensor de efeito Hall próximo a um dis odentado, em que os dentes são onstituídos de material ferromagnéti o, Figura 2.14. A adadente que passa em frente ao sensor um pulso é gerado. Para medidas absolutas, outros formatossão utilizados. Um desses formatos é olo ar um imã permanente sobre uma superfí ie e nessasuperfí ie, um anel onstituido de pequenos sensores de efeito Hall são alo ados, Figura 2.15.Combinando as informações de ada sensor é possível dete tar a distribuição do uxo magnéti o.

Figura 2.14: Codi ador magnéti o in re-mental. Figura 2.15: odi ador magnéti o absoluto.(http://www.eba. om.hk/upload/Magneti \%20Rotary\%20En oder(press).jpg)Devido às imperfeições dos odi adores, é a onselhável apli ar té ni as de ondi ionamentode sinais nas variáveis medidas. Dentre as diversas té ni as existentes, vale ressaltar para estetrabalho três té ni as brevemente des ritas abaixo.9

• Saturação: garante que medidas expúri as ou si amente irreais sejam des onsideradas;• Banda morta: garante a banda morta de a ordo om a resolução do odi ador e dessa formapermite que ele responda de forma esperada;• Filtro passa baixa: minimiza ruídos indesejados om freqüên ia a ima da freqüên ia de ortedo ltro.2.7 Modelo e a ionamento de motor CCO motor de orrente ontínua é modelado segundo as equações abaixo [4:

Tem = kT ia (2.2)Ea = kEωm (2.3)Vt = Ea + RaIa (2.4)

ωm =1

KE

(

Vt −Ra

kTTem

) (2.5)Na Tabela 2.3, tem-se o signi ado de ada variável e, na Figura 2.16, tem-se a representaçãodo ir uito equivalente do motor.Tabela 2.3: Variáveis do motorTem Torque me âni okT Constante de torque do motoria Corrente de armadura do motorke Constante elétri a do motorωm Velo idade angular do eixo do motorRa Resistên ia equivalente do motorLa Indutân ia equivalente do motorVt Tensão apli ada na armadura do motorPela equação 2.2, veri a-se que apli ando uma orrente na armadura do motor um torquepropor ional é apli ado no seu eixo e pela equação 2.4, apli ando-se uma tensão nos terminais daarmadura veri a-se o surgimento da orrente de armadura, ou seja, o motor pode ser a ionadopor orrente ou por tensão. O a ionamento pode ser linear ou haveado. O a ionamento linear,geralmente, é usado para sistemas de baixa potên ia, pois parte da potên ia que deveria ser entregueao motor é transformada em alor devido aos transistores estarem operando em sua região linear [4.No segundo tipo de a ionamento, a tensão é alternada omo uma have liga/desliga. Considerando

tH o instante de tempo em que a have a a ionada e tL o tempo em que a have a desa ionada,tem-se que o valor da tensão média apli ada no motor VM éVM =

VHtH + VLtL

tH + tL, (2.6)10

Figura 2.16: Cir uito equivalente do motor [4em que VH e VL são as tensões apli adas ao motor nos instantes tH e tL, respe tivamente onforme mostra a Figura 2.17.

Figura 2.17: Tensão sobre o motor no a ionamento haveado.

11

Capítulo 3Desenvolvimento3.1 Arquitetura geralO sistema supervisório para experimentos de ontrole é omposto pelo módulo de ontrole euma interfa e grá a que foi desenvolvida no ambiente Matlab R©. Juntamente om o usuário, essasferramentas tornam-se poderosas e apazes de ontrolar e estudar diversos tipos de experimentos,tais omo: Pendubot, Ball on Beam (Bola na barra), Heli opter Pit h Control (Controle do ângulode abe eio do heli óptero), Motor Control ( ontrole de motor) et . Na Figura 3.1, tem-se odiagrama da arquitetura geral do sistema e na Figura 3.2, tem-se a foto da arquitetura desenvolvida.

Figura 3.1: Diagrama da arquitetura geral do sistema supervisório3.2 Módulo de ControleO módulo de ontrole, Figura 3.3, foi projetado no intuito de ser uma plataforma apaz depropor ionar um ambiente real para implementar diversas té ni as de ontrole em variados tipos12

Figura 3.2: Foto da arquitetura desenvolvidade experimentos. Para tanto, os seguintes requisistos foram espe i ados:• Periféri o de aptura sinais: apturar sinais de sensores analógi os e digitais;• Periféri o de geração de sinais: gerar sinais para a ionadores analógi os e digitais;• Comuni ação om o omputador: tro ar os dados do experimento em tempo real e programaro mi ro ontrolador;• Rotina de ontrole em tempo real: garantir o período onstante da rotina de ontrole;• Bibliote a de funções: bibliote a simpli ada que permiti a esso aos diversos periféri os domódulo de ontrole.A m de al ançar tais requisitos, foi es olhida a pla a omer ial SAM7-H64 omo parte prin- ipal desse módulo de ontrole. Essa pla a, Figura 3.4, foi desenvolvida baseada no mi rontrola-dor AT91SAM7S64. Ela ontém alguns ir uitos preliminares responsáveis, prin ipalmente, pelaalimentação, lo k e externalização dos pinos do mi ro ontrolador. AT91SAM7S64 é um mi ro- ontrolador baseado no pro essador ARM7TDMI-S RISC de 32-bit de alto desempenho e ontém64Kbytes de memória ash, 16Kbytes de memória SRAM, periféri os diversos, one tividade USB2.0 et . Para aptura de sinais, foi projetado o periféri o de onversão A/D (Analógi o para di-gital), odi adores e entradas digitais. Para a geração de sinais, foi projetado o periféri o de onversão D/A (Digital para analógi o), MLP (Modulação por largura de pulso) e saídas digitais.De posse de todos esses periféri os e a pla a SAM7-H64, foi proposta arquitetura da Figura 3.5para o módulo de ontrole.Para atender aos requisitos de omuni ação foram utilizados dois barramentos. Para a tro ade dados entre o omputador e o módulo de ontrole, foi utilizado o barramento USB que permitealta taxa de transferên ia e para a programação do mi ro ontrolador, foi utilizado o barramento13

Figura 3.3: Módulo de ontrole Figura 3.4: Pla a do mi ro ontrolador

Figura 3.5: Diagrama do módulo de ontroleJTAG que permite tanto a programação quanto o debug do mi ro ontrolador. Para riação darotina de ontrole em tempo real, foi utilizado o periféri o PIT (Periodi Interval Timer) domi ro ontrolador AT91SAM7S64 que permite que ela seja exe utada om freqüên ia ajustável. Abibliote a de funções é um onjunto de algoritmos es ritos na liguagem C que permite o a esso aosdiversos periféri os do mi ro ontrolador. Além desses requisitos, foi implementado dois estados defun ionamento: standby - experimento parado e diversos omandos podem ser exe utados, running- experimento em exe ução e somente omando de nalizar pode ser exe utado. Dessa forma, omódulo de ontrole torna-se uma ferramente poderosa no ensino em laboratórios de ontrole. Segueabaixo suas prin ipais ara terísti as:• Mi ro ontrolador: AT91SAM7S64 om arquitetura de alto desempenho ARM7TDMI-S RISC;• Interfa es de omuni ação: USB para tro a de dados entre o omputador e o módulo de ontrole e JTAG para a programação e debug do mi ro ontrolador;14

• Rotina de ontrole: rotina dedi ada exe utada a freqüên ia ajustável;• Canais de entradas/saídas digitais: 6 anais de entrada e 6 anais de saída digitais;• Canais A/D e D/A: 4 anais A/D de 10bits e 2 anais D/A de 12 bits;• Canais de odi adores: dois anais de odi adores onguráveis para trabalhar em modoin remental ou absoluto;• Canais MLP: 4 anais MLP om frequên ia ajustável;• Modos de fun inamento: standby e running ;• Leds indi ativos: 3 leds indi ando sistema ligado, USB em atividade e rotina de ontroleativada.3.2.1 Rotina de ontroleEssa rotina foi onstruída voltada para ontrolar sistemas relativamente lentos, uma vez queo módulo de ontrole possui uma série de limitações, tais omo: taxa de atualização do periféri oConversor D/A, usto de pro essamento de sinais, usto de envio dos dados em tempo real et .Dessa forma, ela foi programada para ser exe utada om uma periodi idade entre 1ms e 300ms.Nela, é possível adquirir sinais, pro essá-los, ex itar o experimento ou somente estudá-lo, assim omo sele ionar os dados que devem ser enviados para a interfa e Matlab R©. Na Figura 3.6, édemonstrado o uxograma dessa rotina.3.2.2 Conversor A/DO periféri o Conversor A/D foi projetado a m de seja apaz de apturar sinais analógi os.Para que ele fun ione de forma satisfatória dentro da rotina de ontrole, alguns requisitos mínimossão ne essários, tais omo: ler sinais entre -5V a 5V om onsiderável resolução, baixa tensãode oset e ser imune à ruidos de alta freqüên ia. Para tanto, utilizou-se o onversor A/D de 10bits do mi ro ontrolador de que opera entre 0V a 3.3V. A m de orrigir essa in ompatibilidade,utilizou-se o ampli ador de instrumentação INA126 desenvolvido para apli ações que exigem altapre isão, Figura 3.7.De a ordo om o manual do ampli ador INA1261, tem-se que

Vout = (V +in − V −

in )G + VRef (3.1)G = 5 +

80k

RG(3.2)e utilizando V +

in omo a variável da função Vout e de a ordo om o requisito de intervalo de leitura(-5V a 5V), tem-se que1Mi ropower Instrumentation Amplier Single and Dual Versions - Texas Instruments In .15

Figura 3.6: Arquitetura da rotina de ontrole.

Figura 3.7: Ampli ador Instrumental INA126Vout(+5) = 3.3 (3.3)Vout(−5) = 0 (3.4)16

em que Vout, V +in , V −

in , G e VRef é a tensão de saída, tensão de entrada não inversora, tensão deentrada inversora, ganho e tensão de referên ia do ampli ador de instrumentação INA126 (pino in o da Figura 3.7), respe tivamente. FazendoV −

in = 0 (3.5)Vout(x) = ax + b (3.6)utilizando 3.3 e 3.4, tem-se

G =3.3

10(3.7)

VRef =3.3

2(3.8)mas omo G ≥ 5, então adi ionou-se, om um resistor variável, uma atenuação de 3,3

50 antes deV +

in utilizando um divisor de tensão ante edidos por buers isoladores onstruídos utilizando oampli ador opera ional rail-to-rail MCP604 desenvolvido para apli ações de onversão analógi adigital2. Também foi utilizado um ltro apa itivo a m ltrar ruídos de alta freqüên ia. Vide aFigura 3.8 para os detalhes do ir uito.

Figura 3.8: Cir uito de um anal ADCDessa forma, foi possível orrigir, teori amente, a in ompatibilidade de intervalo de leitura. Aresolução deste periféri o é de aproximadamente 5−(−5)210 = 9, 7656mV . A tensão de oset desteperiféri o, Toffset−A/D, pode ser estimada somando-se a tensão de oset do ampli ador MCP604,

Toffset−MCP604 = ±0, 7mV 3, mais a tensão de oset do ampli ador INA126, Toffset−INA126 =

±0, 250mV 4 e mais o tensão de oset de VRef devido aos erros de 5% nos resistores, Toffset−V ref =

±866.25mV . Logo, Toffset−A/D = ±867, 2mV . Para minizar Toffset−A/D, a onselha-se utilizarresistores de pre isão ou um resistor variável para o ajuste orreto de VRef . Vale a pena ressaltarque a rotina de ontrole é exe utada a uma freqüên ia máxima de 1KHz, logo requisitos de largurade banda são fa ilmente al ançados.Para testar esse módulo, um gerador de onda foi a oplado a uma das entradas e foi apli adouma onda senoidal 5.04sen(wt) om w = 2π. A Figura 3.9, foi obtida utilizando a rotina de2MCP601/2/3/4 - 2.7V to 5.5V Single-Supply CMOS Op Amps - Mi ro hip Te hnology In .3MCP601/2/3/4 - 2.7V to 5.5V Single-Supply CMOS Op Amps - Mi ro hip Te hnology In .4Mi ropower Instrumentation Amplier Single and Dual Versions - Texas Instruments In .17

ontrole que estava sendo exe utada a ada 10ms. Pelo grá o, nota-se que houve saturações emtorno de 4.355V e −4.9V . Isso o orreu devido ao ampli ador instrumental INA126 não possuira ara terísti a rail-to-rail o que pode ser orrigido fa ilmente se ele for alimentado om ±12V .Observam-se os efeitos da amostragem mesmo om a freqüên ia de amostragem 100 vezes maiorque a freqüên ia do sinal.

Figura 3.9: Sinal aptado pelo onversor A/D3.2.3 Conversor D/AO periféri o Conversor D/A foi projetado a m de que possa gerar sinais analógi os. Para queele opere satisfatoriamente, alguns requisitos são ne essários, tais omo: gerar sinais entre -5V a5V, onsiderável resolução e baixa tensão de oset. Para tanto e por meio do periféri o SPI (SerialPort Interfa e) do mi ro ontrolador, utilizou-se o ir uito integrado MCP4922 de 12 bits de altapre isão desenvolvido para apli ações industriais5, uma vez que o mi ro ontrolador não possuium onversor D/A. Porém, tal onversor gera sinais entre 0V a 5V, logo foi ne essário utilizar oampli ador INA126 da Figura 3.7 para orrigir essa in ompatibilidade intervalo de tensões.De a ordo om o requisito de intevalo de tensão (-5V a 5V) e utilizando a equação 3.6, tem-sequeVout(+5) = 3.3 (3.9)Vout(−5) = 0 (3.10)

G = 2 (3.11)VRef = −5 (3.12)5MCP4921/4922 - 12-Bit DAC with SPI Interfa e - Mi ro hip Te hnology In .18

mas omo G ≥ 5 (restrição do ampli ador INA126), então adi ionou-se uma atenuação de 111 eajustou-se G = 22. Assim, foi possível onstruir o ir uito da Figura 3.10.

Figura 3.10: Cir uito de um anal do onversor D/AUtilizando esse ampli ador, foi possível orrigir, teori amente, a in ompatibilidade de intervalode geração de sinais. A resolução deste periféri o é de aproximadamente 5−(−5)212 = 2, 4414mV . Atensão de oset deste periféri o, Toffset−D/A pode ser estimada somando-se a tensão de oset do onversor D/A MCP4922, Toffset−MCP4922 = ±1mV 6, mais a tensão de oset do ampli adorINA126, Toffset−INA126 = ±0, 250mV . Logo, Toffset−D/A = ±1, 25mV . Vale a pena ressaltar quea rotina de ontrole é exe utada a uma freqüên ia máxima de 1KHz, logo requisitos de taxa deatualização de saída do periféri o onversor D/A podem ser al ançados. Para testar o periféri o,tentou-se gerar uma onda senoidal 5sen(wt) om w = 2π100, Figura 3.11, utilizando a rotina de ontrole que estava sendo exe utada a ada 1ms, Figura 3.12.

Figura 3.11: Sinal gerado utilizando o D/A. Figura 3.12: Onda atualizado a ada 1msVeri ou-se que a taxa de atualização do valor da onda gerada foi satisfatória, uma vez que arotina de ontrole foi projetada para ser exe utada om um período mínimo de 1ms. Porém, emrazão da saturação do ampli ador INA126, o orreram limitações no sinal gerado de V hi = 4.64V e6MCP4921/4922 - 12-Bit DAC with SPI Interfa e - Mi ro hip Te hnology In .19

V lo = −4.08V em que V hi e V lo é a tensão máxima e mínima al ançadas pelo periféri o onversorD/A, respe tivamente. Isso pode ser orrigido fa ilmente se o ampli ador INA126 for alimentado om ±12V .3.2.4 Codi ador de medição angularO periféri o Codi ador de medição angular foi projetado, basi amente, om a nalidade de aptar sinais padrões de odi adores in rementalis e o i lo de trabalho de um sinal moduladopor largura de pulso. Dessa forma, foi possível medir tanto o número de in rementos ou i lode trabalho quanto a variação dessas medidas om o tempo. Utilizou-se o ir uito integrado74LS74, ip-op do tipo D, no intuito de dete tar o sentido de rotação do dis o do odi adorin remental. Essa es olha deve-se, prin ipalmente, à alta freqüên ia de lo k(20KHz)7. Tambémforam utilizadas as portas inversoras s hmitt-trigger 74LS14 om histerese de 0,8V8 para onferirmaior proteção e imunidade a ruídos. Na Figura 3.13, mostra-se o ir uito de um dos anais desseperiféri o.

Figura 3.13: Cir uito de um anal do odi adorPara a medição do número de in rementos, utilizou-se interrupção na borda de des ida. Umavariável inteira de 32bits é in rementada ou de rementada de a ordo om o sentido de rotaçãodo dis o. Experimentalmente, notou-se que utilizar ambas as bordas da interrupção não é umaboa políti a, pois devido às imperfeições na onstrução me âni a dos odi adores, a mediçãoda variação dessa grandeza em relação ao tempo torna-se poten ialmente ruidosa. Na Figura3.14, tem-se um exemplo da medida de posição angular do odi ador in remental utilizado nopendubot. Essa medida foi amostrada dentro da rotina de ontrole que está sendo exe utadaa ada 10ms. É interessante observar que a primeira passagem pelo index o orre na posiçãoangular em torno de 200 in rementos. As demais o orrem nos valores ±900 in rementos, valoresmáximos desse odi ador in remental. Experimentalmente, também foi observado que o orreuum es orregamento na medição de in rementos devido à banda morta entre as fases do odi ador.754LS74/DM54LS74A/DM74LS74A Dual Positive-Edge-Triggered D Flip-Flops with Preset, Clear and Comple-mentary Outputs - National Semi ondu tor Corp.854LS14/DM74LS14 Hex Inverters with S hmitt Trigger Inputs - National Semi ondu tor Corp.20

Tal problema foi solu ionado utilizando uma máquina de estados alimentada pelos dois anais do odi ador garantindo assim seu orreto in remento.

Figura 3.14: Grá o de in rementos x tempo.Uma vez que a granularidade do tempo é muito maior que o número de pulsos da maioriados atuais odi adores, bastou al ular a freqüên ia in remental do odi ador de a ordo om aequação 3.13 para obter a variação do número de in rementos om relação ao tempo.Finc =

1

∆Tempo(3.13)em que ∆Tempo é o tempo de orrido entre ada in remento do odi ador. Na Figura 3.15, tem-sea medida de freqüên ia in remental obtida do grá o da Figura 3.14. Essa medida foi amostradana mesma rotina de ontrole des rita anteriormente. Os ruídos periódi os da Figura 3.15 o orremem virtude de uma imperfeição me âni a das engrenagens do motor do pendubot.Para medição do i lo de trabalho, foram utilizados dois registradores do periféri o TC. Sãoeles:

• TC_RB: salva o tempo de orrido desde a última borda de des ida;• TC_RA: salva o tempo de orrido entre a borda de des ida e a borda de subida;Na Figura 3.16, tem-se um diagrama ilustrativo:Dessa forma, para obter o i lo de trabalho - CT - basta:

CT =VTC_RA

VTC_RB(3.14)

21

Figura 3.15: Grá o da velo idade in remental x tempo.Figura 3.16: Diagrama de medição de i lo de trabalhoem que VTC_RA e VTC_RB é o valor ontido no registrador TC_RA e TC_RB, respe tivamente.Vale a pena observar que o sinal SAM7-H64(0,15) está invertido devido à porta isoladora. Na Figura3.17, é mostrado a medição de i lo de trabalho do odi ador absoluto magnéti o utilizado nopendubot. Essa medida foi amostrada na mesma rotina de ontrole previamente des rita. Devidoa ara terísti a intrínse a do odi ador, observa-se um omportamento não linear quando o i lode trabalho passa de 0 para 1. Tal omportamento deve ser onsiderado aso a apli ação utilizeessa região de medida.Para medir a variação do i lo de trabalho om relação ao tempo - VCT - utilizou-se:

VCT =∆CT

∆Tempo(3.15)em que ∆CT é a variação do i lo de trabalho e ∆Tempo é o tempo de orrido entre dois valores onse utivos de i lo de trabalho. Na Figura 3.18, tem-se o grá o da variação do i lo de trabalhopelo tempo obtido do mesmo experimento da Figura 3.17. Em razão da não linearidade anterior-mente itada, o orre um omportamento anmalo no grá o de velo idade. Para apli ações emque se utiliza essa região não linear, tal omportamento deve ser orrigido, visto que tamanhaanomalidade pode, por exemplo, o asionar forte instabilidade em um sistema a ser ontrolado.Essa orreção foi realizada utilizando a equação 3.16 que ajusta os quadrantes dos ângulos entre22

Figura 3.17: Grá o de i lo de trabalho x Tempo−π a π.

Figura 3.18: Grá o de velo idade de i lo de trabalho x TempoVCT =

atan2(sin(∆CT ), cos(∆CT ))

∆Tempo(3.16)

23

3.2.5 E/SO periféri o E/S (Entrada/Saída) foi projetado para atender às diversas situações em quene essitassem de a oplamentos digitais. Neste periféri o existem 6 anais de entrada e 6 anaisde saída que foram implementados da mesma maneira que se en ontram no mi ro ontrolador amenos das portas inversoras s hmitt-trigger 74LS14 e resistores de pull-up que onferem maiorestabilidade, proteção e imunidade aos ruídos. Nas guras 3.19 e 3.20, têm-se os ir uitos de ada anal.Figura 3.19: Cir uito de um analde entrada digital. Figura 3.20: Cir uito de um analde saída digital.3.2.6 Modulação por largura de pulsoModulação por largura de pulso (MLP) é uma forma de a ionamento digital amplamente utili-zado em variados tipos de sistema. Para tanto, onstruiu-se o periféri o MLP om 4 anais de saída onguráveis om freqüên ias entre 1KHz a 30KHz. Eletroni amente, o ir uito foi projetado dea ordo om a Figura 3.20. Para ns de testes, foram geradas quatro sinais modulados por largurade pulso:

• S0: MLP om freqüên ia de 1KHz om i lo de trabalho de 10%, Figura 3.21;• S1: MLP om freqüên ia de 1KHz om i lo de trabalho de 90%, Figura 3.21;• S2: MLP om freqüên ia de 30KHz om i lo de trabalho de 10%, Figura 3.22;• S3: MLP om freqüên ia de 30KHz om i lo de trabalho de 90%, Figura 3.22;Em ambos os sinais da Figura 3.21, nota-se que a freqüên ia está de a ordo om o esperado.Na Figura 3.22, nota-se uma diferença na freqüên ia medida pelo os ilos ópio devido à es alaes olhida. Para obter a medida orreta, observe logo abaixo de V lo da Figura 3.22 . O i lo detrabalho da Figura 3.21 e da Figura 3.22 ontém diferenças nas medidas esperadas que tambémo orrem devido à es olha de es ala. Outro fato importante é o tempo de des ida dos quatros sinaisque está em torno de 8us. Dependendo do sistema no qual o peréri o MLP estiver a oplado,essa limitação pode ser onsiderável. Observe a Figura 3.23 para obter o tempo de des ida dosinais S2 e S3. Vale ressaltar que os sinais do periféri o MLP são de baixa potên ia. Caso o MLPseja a oplado diretamente a uma arga de baixa impedân ia, o valor máximo(V hi) e mínimo(V lo)devem ser onsiderados. 24

Figura 3.21: Sinais S0 e S1 Figura 3.22: Sinais S2 e S3

Figura 3.23: Fall-time dos sinais S2 e S33.2.7 Bibliote a de funçõesA bibliote a de funções desenvolvida para o módulo de ontrole é onstituída de diversosarquivos onstruídos modularmente. Cada periféri o do módulo possui um arquivo fonte (.C)e outro arquivo abeçalho (.H) e ada arquivo fonte possui funções de ini ialização assim omofunções de entrada e saída dos periféri os. Exempli ando, têm-se os arquivos ad . e ad .h,responsáveis pelo fun ionamento do periféri o Conversor A/D, que possui as seguintes funções:• ini ializaADC(): ini ializa o periféri o A/D;• onverterADC(): faz a onversão dos valores analógi os em digital.Para implementação da rotina de ontrole, elaboraram-se dois arquivos, ontrole. e ontrole.h,nos quais é possível implementar as té ni as de ontrole, sele ionar as variáveis que serão enviadasà interfa e grá a, sele ionar o período de ontrole et . Observe a Figura 3.24 e Figura 3.25 quedetalhada um exemplo de ontrole para o pendubot e a seleção de variáveis que serão enviadaspara a interfa e grá a, respe tivamente.

25

Figura 3.24: Implemetação de ontrole Figura 3.25: Seleção de variáveisPara que o arquivo ontrole. tenha a esso às variáveis dos períferi os, de laram-se essas variá-veis omo volatile dentro dos arquivos dos periféti os, tais omo: ad . , pwm. , udp. et , e entãode laram-se essas variáveis omo extern volatile dentro do arquivo. Outro arquivo que vale ressal-tar é o main. que é reponsável pela ini ialização de todos os periféri os do módulo de ontrole. Abibiliote a ompleta desenvolvida assim omo um template de apli ação se en ontram nos anexos.3.2.8 USB e JTAGA interfa e USB é responsável pela omuni ação em tempo real entre o módulo de ontrolee a interfa e Matlab R©. Eletri amente, a USB foi implementada assim omo está on ebida napla a SAM7-H64. Já em nível de software e no intuito de minimizar a han e de perda de dados,in luíram-se buers í li os de 1KByte na entrada e na saída de dados.A interfa e JTAG foi implementada utilizando um abo do tipo Ma raigor Wiggler9. Talinterfa e tem a função de realizar a gravação do mi ro ontrolador assim omo a depuração dositema via software.3.3 Comuni ação entre Interfa e grá a e o módulo de ontroleA omuni ação realizada entre o módulo de ontrole e a interfa e grá a está separada deduas formas: omuni ação externa que utiliza um servidor para realizar a tro a de informaçõesentre o omputador e o módulo, omuni ação interna que é responsável pela omuni ação entre osapli ativos dentro do omputador. O diagrama de omuni ação do sistema en ontra-se ilustradona Figura 3.26.9http://www.ma raigor. om/wiggler.htm26

Figura 3.26: Diagrama de omuni açãoPara a omuni ação externa, es olheu-se o barramento USB. O motivo dessa es olha foi a altataxa de transferên ia de dados e sua disponibilidade no mi ro ontrolador es olhido. Para a tro ade informações entre o servidor e módulo de ontrole, modi ou-se um driver disponibilizado pelofabri ante do mi ro ontrolador. Esse driver foi desenvolvido somente para o sistema opera ionalWindows.A omuni ação entre pro essos (apli ativos e servidor) o orre utilizando memória omparti-lhada. Uma região da memória do omputador é ini ializada por um apli ativo e, de a ordo omsua onguração, o sistema opera ional disponibiliza o a esso a essa memória para outros apli a-tivos. Criaram-se três regiões de memória: uma permite o servidor disponibilizar os dados vindosdo módulo de ontrole, outra permite que os apli ativos, neste aso o Matlab R© , enviem os dadospara o módulo de ontrole e uma ter eira região permite a tro a de estado entre o servidor e osapli ativos. O algoritmo de omuni ação interna é elaborado no intuito de evitar onitos de a essoà memória.O papel prin ipal do servidor é olo ar na memória ompartilhada os dados proveniente do mó-dulo de ontrole e transferir os dados depositados pelos apli ativos para esse módulo. Ini ializadoo sistema, o servidor mantém-se em um laço até que uma mensagem para desligá-lo seja olo adana região de estados. Dentro desse laço, o servidor veri a se existe mensagens para transmitirao módulo de ontrole. Caso exista tal mensagem, o servidor a transmite. Logo em seguida, eleveri a se existem dados provenientes desse módulo de ontrole. Em aso armativo, o servidor olo a esses dados na região de memória ompartilhada orrespondente. Dessa forma, o servidortorna-se transparente na implementação do proto olo de omuni ação.Para obter um proto olo mais robusto, ada omando enviado ao módulo de ontrole geraresposta positiva ou negativa e, se ne essário, um valor de retorno. Para aumentar o desempenhodo sistema, quando o módulo de ontrole está em modo running, somente é possível enviar o omando de nalização. Deniu-se o formato das mensagens omo:27

#comando, varivel, valor;Caso a mensagem não ne essite de alguns dos ampos, não é ne essário enviar tais ampos enem o seu separador de mensagens anterior (,). Na Tabela 3.1, têm-se os omandos implementadose suas possíveis respostas. Tabela 3.1: Mensagens de omuni açãoFunção Mensagem Resposta 1 Resposta 2Ini iar o experimento #j; #o; #e;Finalizar o experimento #k; #o; #e;Pedido das variáveis de omuni ação #t; #o; #e;Set Valor 6.7980 para variável A #s,A,6.7980; #o; #e;Get Valor da variável B #g,B; #r,B,X.XXXX;#o; #e;3.4 Interfa e Matlab R©Uma vez que Matlab R© é uma ex elente ferramenta para projetos de ontrole, de idiu-se utilizá-lo omo interfa e grá a para o sistema supervisório desenvolvido. Como foi dito na seção anterior,os apli ativos depositam seus dados em um região de memória ompartilhada, porém o Matlab R©não possui funções que fazem a esso direto a esse tipo de memória. Dessa forma, utilizou-se uma lasse espe í a de funções (C-mex) que permite exe ução de ódigos na linguagem C e C++dentro do ambiente Matlab R©. As funções riadas para esse tipo de omuni ação são:

• servidorUSB: Ini ializa a memória ompartilhada para tro a de estado;• es reverEstado: Altera o estado do sistema;• lerEstado: Lê o estado do sistema;• lerUSB: Lê os novos dados disponíveis na memória;• es reverUSB: Es reve os dados a serem transmitidos para memória.De posse dos dados, riaram-se funções para interpretá-los. Uma dessas funções - responderUSB- é responsável pela geração e interpretação dos omandos quando o módulo de ontrole está emmodo standy, outra função - maqUSB - é a máquina de estados que interpreta os omandos vindosdo módulo de ontrole quando ele está em modo running e a última função - maqTabela - éresponsável pela tro a dos nomes das variáveis pré denidas dentro do módulo de ontrole. Comopode ser visto, o sistema é omposto por várias funções que, para seu fun ionamento orreto,devem ser exe utadas repetidamente. Para tanto, riou-se uma janela amigável, Figura 3.27, demaneira que o usuário se preo upasse, ex lusivamente, om o experimento em estudo. A janela28

é omposta pelos botões de ontrole, parte de omuni ação, visualização rápida dos dados e umaparte informativa.

Figura 3.27: Janela do sistema

Figura 3.28: Parte de omuni açãoNa parte de omuni ação, Figura 3.28, têm-se as opções de omando, variável e valor, quesão su ientes para ajustar e obter o valor das variáveis do experimento. Para usuários maisexperientes, tem-se a linha de omando na qual eles podem enviar outros omandos ao módulode ontrole. Vale ressaltar que, no momento que o sistema é ligado, as variáveis es olhidas pelousuário são arregadas na janela automati amente. Logo abaixo da seção de omuni ação, tem-seuma parte informativa que mostra o que esta sendo pro essado pelo programa ou uma respostaàs suas mensagens de omuni ação, Figura 3.28. Também na Figura 3.28, pode-se visualizar uma29

mensagem informativa. Na parte ini ial, tem-se o omando ompleto que foi enviado ao módulode ontrole. Na segunda parte da informação, tem-se a resposta do sistema(OK).

Figura 3.29: Botões de ontroleOs botões de ontrole, Figura 3.29, foram riados para fa ilitar a utilização da janela. Valeressaltar que ao a ionar o botão ligar, visualizado na Figura 3.27, imediamente o programa hamao servidor. Assim que o sistema é ligado, uma mensagem informativa é passada ao usuário e essebotão torna-se o botão de desligar. Os botões ini iar e nalizar só podem ser usados separadamente,por isso, quando um está habilitado, o outro a desabilitado. Por último, tem-se a parte devisualização rápida dos dados, Figura 3.30, em que o usuário pode visualizar os dados que foramenviados durante o experimento. Para ser uma ferramenta fun ional, basta sele ionar as variavéisno ampo ao lado do grá o. Caso ne essite de uma análise mais profunda, o usuário pode salvaros dados e arregá-los no próprio Matlab R©.

Figura 3.30: Parte de visualização rápida3.5 PendubotSabendo que não existe uma úni a onguração que permita implementar o sistema do pen-dubot, foi sele ionada uma onguração apaz de atender aos requisitos físi os do modelo, sere onomi amente viável e que fosse passível de ser onstruída na o ina me âni a da UnB. Utili-zando as simulações em [5, foi possível obter os prin ipais requisitos do sistema. Na Figura 3.31,tem-se o diagrama de fun ionamento do pendubot.30

Figura 3.31: Diagrama do pendubot3.5.1 MotorApós serem realizadas diversas simulações, duas ara terísti as prin ipais foram identi adas:torque de 5 N.m utilizando um fator de segurança 1.5 e tensão de alimentação de 24V. Foi utilizadotambém um fator de segurança 2 para o valor do torque devido ao fato de ser um projeto pioneiro.A limitação de 24V deve-se ao fato da di uldade da elaboração de uma fonte linear de alta tensão.Em posse dessas ara terísti as, en ontrou-se o motor GM-14902S020 om tensão de alimentaçãode 24V e torque de 3.5N.m10 que mais se aproximou das espe i ações requeridas, Figura 3.32.Figura 3.32: Motor GM-14902S020Tabela 3.2: Valores do motorCara terísti a Valor Unidade

Tem11 3.5 Nm

kT 5.51E-2 Nm/Aia12 13.9 A

ke 5.51E-2 V/(rad/s)ωm

13 60 RPMRa 1.73 OhmsLa 2.54 mHVt

14 24 V3.5.2 Módulo de potên iaOs sinais oriundos do módulo de ontrole são insu ientes para o a ionamento do motor,portanto faz-se ne essário uma etapa de potên ia. Essa etapa é exe utada na módulo de potên ia.Na Figura 3.33 e 3.34 , tem-se fotos do Módulo de Potên ia.Vale enfatizar que vários projetos de a ionadores lineares foram testados. Mesmo sabendo dasdi uldades, tentou-se implementar uma fonte de orrente analógi a para orrentes na ordem de10GM14902S020 Lo-Cog DC Gearmotor - Pittman Express31

Figura 3.33: Módulo de potên ia Figura 3.34: Módulo de potên ia aberto10A e também uma fonte de tensão regulável de 0 a 30V que suportassem orrentes de 8A, mastodos sem su esso. A grande di uldade en ontrada foi a dissipação de potên ia dos omponentes.Devido ao urto prazo, de idiu-se utilizar o Servo-ampli ador PWM[7 fun ionando no modo fontede orrente ontrolada por tensão. Uma modi ação feita é a adição de um regulador de 12V entrea alimentação da parte de potên ia e o sinal de alimentação do ir uito integrado IR2104, pois aalimentação máxima desse ir uito é de 20V e a alimentação da parte de potên ia é de 34V.Figura 3.35: Diagrama blo os do sistemaA es olha dos paramêtros P1, P2, P3, G1 e G2 do ontrolador PI interno da pla a foi feitada seguinte maneira. Utilizando os paramêtros forne ido pelo fabri ante do motor, en ontrou-se afunção de transferên ia

G(s) =1

0.00254s + 1.73=

Ia(s)

Va(s)(3.17)A planta G(s) é do tipo zero. Como atuação no motor é feita por Ea, Figura 3.35, pode-se onsiderar

Eb omo uma entrada interferente. Utilizando um ontrolador PI, garante-se erro nulo em regimepermanente para uma entrada degrau. A função de transferên ia do ontrolador analógi o é:C(s) = Kp +

Ki

s(3.18)Utilizando a ferramenta Control and Estimation Tools Manager do Matlab R©, fez-se a alo ação dopólo e do zero nas posições desejadas. O LGR (Lugar Geométri o das Raízes) do sistema en ontra-se na Figura 3.37. Na Figura 3.36 e 3.38, tem-se a resposta a uma entrada degrau do sistema emmalha aberta e fe hada, respe tivamente. 32

Figura 3.36: Resposta do sistema em ma-lha aberta Figura 3.37: LGR do sistema

Figura 3.38: Resposta do sistema em malha fe hadade posse dos valores do ontrolador forne ido pelo Matlab R©, en ontrou-seKp = 5 Ki = 1000de posse dos valores a ima, e empregando-se as fórmulas de [7, en ontraram-se os valores para

P1 = 3, 8KΩ P2 = 0 P3 = 10KΩ

P4 = 47nF G1 = 2, 22KΩ G2 = 2, 2KΩOutra vantagem do Servo-ampli ador PWM é que ele possui uma saída de tensão propor ionalà orrente. Para o fun ionamento desse Servo-ampli ador PWM, basta adi ionar uma tensão dereferên ia e apli ar uma tensão inferior a 3.5V no sinal de Habilitação. A relação tensão dereferên ia versus orrente apli ada no motor está presente no grá o 3.39.É utilizado one tor do tipo BNC (British Naval Conne tor) para os terminais de entrada epara o terminal de saída de tensão propor ional a orrente. O one tor usado para o motor édo tipo parafusado. Por medidas de segurança, se ambos os one tores de entrada do módulode potên ia estiverem des one tados o motor não entrará em fun ionamento. Os abos do motortambém podem ser des one tados do módulo de potên ia. Um botão foi adi ionado ao módulo33

Figura 3.39: Grá o Tensão referên ia versus Correntepara ligar e desligar o sistema. Uma luz indi ativa também foi a res entada para indi ar a ativaçãodo Servo-ampli ador PWM.3.5.3 Codi ador Absoluto e In rementalPara que fosse possível medir os ângulos de rotação de a ordo om a Figura 3.40, foram uti-lizados dois odi adores. Devido, prin ipalmente, a uma restrição me âni a, foi utilizado um odi ador in remental para medir o ângulo de rotação do eixo do motor (θ1). Para medir oângulo de rotação de uma barra em relação à outra(θ2) foi utilizado um odi ador absoluto. Aes olha desses odi adores baseou-se, substan ialmente, em requisitos de projeto e disponibili-dade. Dessa forma, foi es olhido o odi ador in remental ópti o E5S-900-394-IHG para medir θ1.Tal odi ador possui uma resolução de até 0.1, anal de index, montagem exível e tamanhoreduzido15. Para medir θ2, utilizou-se o odi ador absoluto magnéti o MA2-P que possui umaresolução de até 0.35(10 bits de pre isão) e saída MLP de 1KHz em que a posição do eixo do odi ador é propor ional ao i lo de trabalho16.Na Figura 3.41 e 3.42, en ontram-se os odi adores instalados.3.5.4 Base EstruturalA base foi on ebida de maneira que apresentasse duas prin ipais ara terísti as: estabilidadeàs forças paralelas ao solo e fa ilidade de onstrução. Para tanto, foi utilizado hapas de aço arbono 1020 de 3mm de espessura soldadas no formato L e aparafusada em uma plataformapermitindo que a inér ia da base seja muito maior que a dinâmi a restante do sistema. Dessaforma, foi possível minimizar a signi ân ia de suas vibrações no momento que o pêndulo estiverem movimento. Na Figura 3.43, tem-se o desenho da base estrutural assim om uma foto de suaimplementação, Figura 3.44.Utilizando a onguração a ima, foi possível obter as ara terísti as das barras que ompõem15E5-Opti al Kit En oder - US Digital16MA2-Miniature Absolute Magneti Shaft En oder - US Digital34

Figura 3.40: Ângulos θ1 e θ2 do pendubot

Figura 3.41: Codi ador ópti o in rementalE5S Figura 3.42: Codi ador magnéti o absolutoMA2-Po sistema, são elas: massa reduzida, dimensões apropriadas que garantissem apenas um grau deliberdade e projeto da segunda barra permitindo o a oplamento de uma massa móvel. Para tanto,foram es olhidas barras de alumínio 6063 duro de 10mm de espessura om furos passante a m dereduzir sua massa. Depois de terem sido usinadas, foi possível obter suas massas nais utilizandouma balança digital. Essas massas foram de aproximadamente 162.32g para o link1 e 71.27g parao link 2. Na Figura 3.45, têm-se o desenhos das barras implementas.Dada a onguração de motor, barras e sensores, os a oplamentos foram elaborados de maneiraque pudessem unir as partes da estrutura e garantir o seu orreto fun ionamento. Na Figura 3.47,tem-se o desenho dos a oplamentos.3.6 Sistema supervisórioPara validação do sistema supervisório, alguns experimentos foram realizados. Um dessesexperimentos foi es olhido para mostrar o fun ionamento do sistema. Primeiramente, programou-35

Figura 3.43: Desenho da base Figura 3.44: Foto da base

Figura 3.45: Link1 Figura 3.46: Link2se o módulo de ontrole para a ada 10ms oletar os dados dos sensores, transformá-los em medidasde posição e velo idade, apli ar um ltro digital de Butterworth a essas medidas e por m enviá-losao omputador. Após essa programação, one tou-se o abo de omuni ação USB e ini iou-se ainterfa e grá a. A ionou-se o botão ligar e o servidor ini ializou a omuni ação om o módulode ontrole. As variáveis denidas pelo usuário para omuni ação em modo standby e em modorunning foram identi adas pela interfa e e tornaram-se disponíveis ao usuário.Em modo standby, o primeiro teste foi o envio de uma instrução pela linha de omando.Já o segundo teste foi utilizar o omando set das opções da janela es olhendo uma variável e ongurando seu novo valor. O último teste foi utilizar o omando get es olhendo outra variávele veri ando seu valor de retorno. Ambos os testes retornaram os valores esperados, o omandoOK para as duas primeiras instruções e o valor de retorno seguido do omando OK para a ter eirainstrução.36

Figura 3.47: A oplamentos do link 1 e link 2Para ini ializar esse experimento, a ionou-se o botão ini iar e movimentou-se manualmenteos links 1 e 2. O a ionamento manual foi realizado em virtude da limitição físi a do abo do odi ador do link2 que pode girar no máximo 2 voltas no mesmo sentido. Após li ar no botãonalizar, o experimento foi nalizado e os botões de ontrole para visualização e armazenamentodos dados foram liberados. Os grá os resultantes das variáveis de posição e velo idade angulardo sensor in remental e do sensor absoluto são en ontrados na Figura 3.48 e 3.49. Os valoresidenti ados pela interfa e foram orretamente salvos no arquivo matrix_saida.mat e puderam ser omprovados pelo log do servidor. Cli ou-se no botão desligar e a omuni ação om o módulode ontrole foi en errada, o servidor foi desligado e as regiões de memória ompartilhada foramliberadas.Outro teste que vale ressaltar onsistiu no a ionamento do motor. Programou-se o módulo de ontrole para fazer um a ionamento om torque onstante e su iente para o pêndulo girar livre-mente, sem o abo do odi ador do link2. Pelo grá o da Figura 3.50, veri a-se o omportamentoda posição angular do link 1 de a ordo om o esperado.Dentre os outros experimentos realizados, alguns problemas foram dete tados, tais omo: limitede in o variáveis para serem transmitidas em modo running, quebra de um dente da engrenageme limite físi o do abo do odi ador do link2.

37

Figura 3.48: Dados do sensor in remental Figura 3.49: Dados do sensor absoluto

Figura 3.50: Grá o de posição angulo om torque onstante38

Capítulo 4Con lusões

Por meio da análise de experimentos de ontrole, pro urou-se onstruir uma plataforma quefosse apaz de atender à demanda dos projetos em experimentos de ontrole projetando um sistemade baixo usto nan eiro e de onsiderável qualidade.O módulo de ontrole foi projetado para ser uma plataforma apaz de adquirir sinais, pro essá-los, forne er saídas e enviar dados ao omputador. O mi ro ontrolador AT91SAM7S64 foi apazde suprir as prin ipais ne essidades do projeto - velo idade de pro essamento, omuni ação e apa- idade de armazenamento. Já os diversos periféri os apresentaram algumas limitações omo, porexemplo, intervalo de leitura dos onversores A/D e D/A. Essas limitações devem ser onsideradasno projeto de ontrole a ser utilizado. Re omenda-se utilizar ltros apropriados nos sinais adqui-ridos dos odi adores. Para futuro trabalhos, a onselha-se utilizar ampli adores instrumentaisrail-to-rail, ltros passa-baixa nos sinais de modulação por largura de pulso, reguladores de tensãode maior pre isão e, prin ipalmente, utilizar uma pla a de ir uito impresso.No intuito de fa ilitar o experimento de ontrole, es olheu-se o Matlab R© omo interfa e. Umajanela mais onfortável ao usuário foi riada pro urando deixar o sistema mais simples e transpa-rente possível. Para omuni ação entre o módulo de ontrole e o omputador, es olheu-se o padrãoUSB em virtude de suas vantagens em relação aos outros meios disponíveis. Para tanto, teve-seque adaptar um driver e riar um programa servidor para a tro a de dados entre ambos. Na janelagrá a, adi ionaram-se medidas de segurança para que o usuário não tentasse pular etapas do ex-perimento podendo ausar danos ao sistema supervisório. Mensagens informativas também forama res entadas para fa ilitar sua utilização. Para trabalhos futuros, sugerem-se que os grá os davariáveis previamente sele ionadas sejam mostrados em tempo real.O pendubot foi implementado baseado em simulações previamente realizadas que fa ilitarama es olha de alguns omponentes na onstrução físi a do experimento. Apesar de uma onsiderá-vel limitação de materiais e pro essos me âni os, tal estrutura se mostra omo uma plataformainteressante para o estudo de variadas té ni as de ontrole. Após testar o sistema físi o, notou-seque a base da estrutura apresenta instabilidade quando grandes esforços são exigidos. O abode transmissão dos dados do odi ador absoluto MA2 deve ser evitado uma vez que a rotação ontínua do motor é apaz de rompê-lo fa ilmente. Para trabalhos futuros, propõe-se uma baseestrutural mais estável aumentando a massa da base e adi ionando vigas de xação ao suporte de39

aço assim omo tro ar o abo do odi ador absoluto por rádio transmissores.O módulo de potên ia utilizando o Servo-ampli ador PWM om algumas modi ações espe- í as para o pendubot obteve resultados satisfatórios. Uma melhoria que pode ser realizada é oaumento do intervalo de entrada para a tensão de referên ia que, atualmente, é de 1,5V a 3,5V,para -5V a 5V.O sistema supervisório mostrou ser uma plataforma útil para realização de experimentos de ontrole. Porém, algumas modi ações podem ser realizadas, tais omo: aumento do número devariáveis para omuni ação em modo running, utilizar outras ferramentas grá as para análise eaquisição dos dados omo, por exemplo, LabView R© e tornar o sistema ompatível om toolbo-xes(Simulink R© , RTW R©).

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS[1 SPONG, M. Swing up ontrol of the a robot. Roboti s and Automation, 1994. Pro eedings.,1994 IEEE International Conferen e on, v. 3, p. 23562361, 1994.[2 FURUTA K.; YAMAKITA, M. K. S. Swing up ontrol of inverted pendulum. Industrial Ele -troni s, Control and Instrumentation, 1991. Pro eedings. IECON '91., 1991 International Con-feren e on, v. 3, p. 21932198, 1991.[3 SPONG, M.; BLOCK, D. The pendubot: a me hatroni system for ontrol resear h and edu a-tion. De ision and Control, 1995., Pro eedings of the 34th IEEE Conferen e on, v. 1, p. 555556,1995.[4 BECKMAN, E. D.; SANTOS, G. F. Desenvolvimento de ontroladores de juntas para próteserobóti a de perna. Julho 2006. Trabalho de graduação do urso de Engenharia Me atrni a -Departamento de Engenharia Elétri a - UnB.[5 GONÇALVES, C. W. P. Simulação e ontrole de um pêndulo duplo invertido. Dezembro 2006.Trabalho de graduação do urso de Engenharia Me atrni a - Departamento de EngenhariaElétri a - UnB.[6 UNIVERSAL Serial Bus Spe i ation. [S.l., 2000.[7 SCANDAROLI, G. G. Controle adaptativo de juntas para uma prótose robóti a de perna. Julho2007. Trabalho de graduação do urso de Engenharia Me atrni a - Departamento de EngenhariaElétri a - UnB.

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ANEXOS

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I. DIAGRAMAS ESQUEMÁTICOSEste anexo ontém os ir uito ompletos do módulo de ontrole. Na Figura I.1, tem-se o ir uito dos onversores D/A e A/D. Na Figura I.2, tem-se o ir uito dos periféri os E/S, MLP,Codi adores de medição angular e fonte que alimenta a pla a. Já na Figura I.3, tem-se o ir uitoda pla a omer ial SAM7-H64.

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Figura I.1: Cir uito dos onversores A/D e D/A44

Figura I.2: Cir uito dos periféri os IO, MLP, Codi adores e a fonte de alimentação45

Figura I.3: Cir uito da pla a omer ial SAM7-H6446

II. DESENHOS MECÂNICOSEste anexo ontém os desenhos me âni os do pendubot. Na Tabela II.1, ontém os desenhos ontidos no anexo. Vale a pena observar que, ex eto na Figura II.3, todas as medidas estão emmilímetros. Tabela II.1: Desenhos ontidos no anexoDes rição FiguraBase do experimento II.1Suporte de aço para o motor e barras II.2Motor e aixa de redução II.3Extensor do eixo do motor II.4Primeira Barra: Link1 II.5Eixo de onexão entre o Link1 e Link2 II.6Suporte do odi ador absoluto II.7Segunda Barra: Link2 II.8

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Figura II.1: Base do experimento48

Figura II.2: Suporte de aço para o motor e barras49

Figura II.3: Motor e aixa de redução50

Figura II.4: Extensor do eixo do motor51

Figura II.5: Primeira Barra: Link152

Figura II.6: Eixo de onexão entre o Link1 e Link253

Figura II.7: Suporte do odi ador absoluto54

Figura II.8: Segunda Barra: Link255

III. DESCRIÇO DO CONTEÚDO DO CDO CD em anexo ontém os ódigos de programas, o relatório de projeto nal, esquemáti os,desenhos e apresentação utilizada neste projeto. Ele está dividido em seis pasta:• Códigos do ARM- ad . : onguração e funções do ADC;- ad .h : abeçalho da função ad . ;- ontrole. : onguração e funções de ontrole;- ontrole.h : abeçalho da função ontrole. ;- io. : onguração e funções de IO;- io.h : abeçalho da função io. ;- main. : ini ialização e exe ução do sistema;- pwm. : onguração e funções do MLP;- pwm.h : abeçalho da função pwm. ;- rtt. : onguração e funções de tempo global do sistema;- rtt.h : abeçalho da função rtt. ;- spi. : onguração e funções do onversor D/A;- spi.h : abeçalho da função spi. ;- t . : onguração e funções dos odi adores;- t .h : abeçalho da função t . ;- udp. : onguração e funções para omuni ação USB;- udp.h : abeçalho da função udp. ;- prioridade.h : arquivo om prioridades das interrupções do sistema;- AT91SAM7S64.h : abeçalho dos registradores do ARM;- Cstartup_SAM7. : função de ini ialização do ARM em C;- Cstartup_SAM7.S : função de ini ialização do ARM em assembly;- sam7. fg : arquivo de onguração do openo d;- sam7.s ript : s ript para programação do ARM;- arm.pnproj : arquivo de projeto para o WINARM;- AT91SAM7S64-ROM.ld : arquivo para riação da imagem da ROM;- AT91SAM7S64-RAM.ld : arquivo para riação da imagem da RAM;- Makele : arquivo de onguração para ompilação

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• Códigos do Matlab R©- maqUSB.m : interpreta os dados em modo running ;- answerUSB.m: interpreta os dados em modo standby ;- maqTabela.m : ini ializa as variáveis de omuni ação;- LaraControlSystem.m : onstrução da janela grá a e interpretação das ações da janela;- LaraControlSystem.g: arquivo do Matlab R©para onstrução da janela;- Lara_logo.JPG: logo do LARA que é mostrada na ini ialização da janela;- readUSB. pp: ódigo para leitura da memória ompartilhada;- readUSB.mexw32: arquivo mex gerado a partir de readUSB. pp;- writeUSB. : ódigo para es rita na memória ompartilhada;- writeUSB.mexw32: arquivo mex gerado a partir de writeUSB. ;- serverUSB. : ódigo para ini ializar memória ompartilhada da região status;- serverUSB.mexw32: arquivo mex gerado a partir de serverUSB. ;- lerStatus. : ódigo para leitura da região status da memória ompartilhada;- lerStatus.mexw32: arquivo mex gerado a partir de lerStatus. - es reverStatus. : ódigo para es rita na região status da memória ompartilhada;- es reverStatus.mexw32: arquivo mex gerado a partir de es reverStatus. ;- server.exe: arquivo exe utável do servidor que deseja-se utilizar;• Códigos do Servidor- server. pp: ódigo do servidor;- demais arquivos: bibliote as ne essárias para ompilação do ódigo do servidor;• Esquemáti os• Desenhos 3D do pendubot• Fotos e Vídeos demonstrativos

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